鐵氧體晶體結構

1、鐵氧體晶體結構與磁性UNITED ELECTRONICS CO., LTD優(yōu)耐電子（深圳）有限公司2009-04-081一. 鐵氧體的晶體結構二. 鐵氧體磁性來源三. 超交換作用四. 復合鐵氧體2鐵氧體的晶體結構 鐵氧體是是氧化鐵(Fe2O3)和其他一種或幾種金屬氧化物化合而成的物質,是復合氧化物. 鐵氧體的晶體結構主要有三種: A.尖晶石型; B.柘榴石型; C.磁鉛石型.3鐵氧體的晶體結構A.尖晶石型鐵氧體的晶體結構 化學式是:MeFe2O4或MeOFe2O3 其中Me代表二價金屬離子(常有:Mn2+,Co2+, Cu2+ Ni2+,Mg2+,Zn2+,Fe2+,Cd2+等等)通常是過渡金

2、屬元素. 分子式中Fe3+離子也可以被其他三價金屬離子取代,通常是Al3+,Cr3+或Ca3+;也可以被Fe2+或Ti4+取代一部分. 由于與一種叫鎂鋁尖晶石的礦石(MgAl2O4)的結構相同而得名.4鐵氧體的晶體結構尖晶石鐵氧體的晶格結構呈立方對稱.一個單位晶胞含有8個分子式,一個晶胞的分子式為M2+8Fe3+16O2-32 ,所以,一個鐵氧體單晶胞內共有56個離子,其中M2+離子8個, Fe3+離子16個, O2-離子32個.三者以氧離子的尺寸最大,晶格結構組成必然以氧離子作密堆積,金屬離子填充在氧離子密堆積的間隙內.如下圖所示:離子半徑O2- A2.65 Mg2+ A1.62Al3+ A

3、1.165鐵氧體的晶體結構四面體八面體6鐵氧體的晶體結構在32個氧離子密堆積構成的面以立方晶格中,有兩種間隙:1)四面體間隙;2)八面體間隙.四面體間隙由4個氧離子中心聯結構成的4個三角形平面包圍而成,這樣的四面體間隙共有64個,而且,四面體的間隙較小,只能填充尺寸小的金屬離子.八面體由6個氧離子中心聯線構成的8個三角形平面包圍而成,這樣的八面體共有32個,八面體的間隙較大,可以填充尺寸較大的金屬離子.一般地,四面體間隙簡稱為A位;八面體間隙簡稱為B位.7鐵氧體的晶體結構一個尖晶石單胞,實際上只有8個A位和16個B位被金屬離子填充.填充A位的金屬離子構成的晶格稱為A次晶格,同理也有B次晶格.實

4、用上,把M2+離子填充A位,Fe3+離子填充B位的分布定義為”正型”尖晶石鐵氧體即,(M2+)Fe3+2O4如果上述分布對調了,則定為”反型”尖晶石鐵氧體,即(Fe3+ )M2+ Fe3+O4,如:Li,Cu,Fe,Co,Ni鐵氧體.正型結構的鐵氧體只有ZnFe2O4和CdFe2O4兩種8鐵氧體的晶體結構此外,還有介于正型與反型之間的混合分布結構, 即,(M2+(1-X)Fe3+X)M2+ XFe3+ (2-X) O4 式中x為M2+離子占有A位的份數.當x=1時變成反型,即,(Fe3+)M2+ Fe3+ O4 表示:M2+全在B位上,而Fe3+各有一半占據A位和B位,如:Li,Cu,Fe,C

5、o,Ni鐵氧體.當x=0時變成正型結構,即(M2+)Fe3+2O4 表示:M2+全在A位上,而Fe3+全在B位,如: ZnFe2O4和CdFe2O4一般是0 x3 12鐵氧體的磁性物質中原子或離子磁矩的有序排列方式對應的三種磁性的列圖:1.鐵磁性2.反鐵磁性2.亞鐵磁性13超交換作用1934年,克拉默首先提出了一種交換作用模型-超交換模型,用來解釋反鐵磁性自發(fā)磁化的起因.他認為,反磁性物體內的磁性離子之間的交換作用是通過隔在中間的非磁性離子之為媒介來實現的,故稱超交換作用.超交換作用的原理：14超交換作用超交換作用的原理：(以MnO為例)由于MnO具有面心立方結構,存在兩種鍵角,即180度與9

6、0度的鍵角.如上圖:在基態(tài)時: Mn2+3d5 有5個未被抵消的自旋磁矩 O2- 2p6 沒有未被抵消自旋磁矩 而,Mn2+O2- Mn2+,電子波函數在180度鍵角方向時可能有較大的迭加(如下圖),只是O2-離子無磁性,不能自發(fā)磁化. 15超交換作用 然而,由于有迭交, O2- 提供2p電子遷移到Mn2+的3d軌道內的機會,使體系完全可能變成含有Mn2+和 O1-的激發(fā)態(tài)所以,在激發(fā)態(tài)時: O2- 2p5 就有1個被抵消自旋磁矩 這個未配對的電子當然有可能與近鄰的Mn2+離子的3d電子了生交換作用.最終,導致O2-兩則成180度鍵角耦合的兩個Mn2+的自旋必定為反平行排列.16超交換作用鐵氧

7、體中的超交換作用對鐵氧體來說,金屬離子分布在A位與B位,它們最近鄰的都是氧離子,因此可以有三種超交換作用,即:A-A,A-B,B-B三種.在這三種里面,又因為金屬離子之間通過中間氧離子所組成的鍵角不同,再分成五種情況:如下圖根據上述原理,A位和B位上的離子磁矩取向是反平行排列,因此A位上的離子磁矩只能是平行排列,B位的亦然.由于MA和MB的數值不等而方向相反,結果就有未抵消的凈磁矩而呈現亞鐵磁性.1718復合鐵氧體的磁性復合鐵氧體的磁性取決于各組份的磁性,各組分的比例及生產工藝.1.復合鐵氧體的飽和磁化強度MS 軟磁材料要求飽和磁化強度盡量大. 鐵氧體的磁性是由兩個次晶格的磁矩之差所決定的.因

8、此,鐵氧體的飽和磁化強度取決于兩個次晶格的飽和磁化強度之差.因此要獲得一定大小的飽和磁化強度,就需要改變兩個次晶格飽和磁化強度的相對大小.(如加入非磁性金屬離子).19復合鐵氧體的磁性二元系含Zn復合鐵氧體分子式:(Zn2+xFe3+1-x)Me2+1-xFe3+1+xO4其分子磁矩是:m=mB-mA =me(1-x)+5(1+x)uB-5(1-x) uB =10 x+me(1-x)uB 式中:me是Me2+的離子磁矩數. 20復合鐵氧體的磁性在MeFe2O4反型鐵氧體中,由于加入了Zn2+離子,它占據A位的趨向最大,所以,原來在A位的Fe3+有一部分被它趕到B位,而Zn2+是非磁性離子,因而

9、A位的磁矩減少了,B位的磁矩增加了,結果,由于非磁性離子Zn2+的加入而形成的復合鐵氧體的磁矩反而比原來的單鐵氧體增加了.按上式計算,其磁矩是隨x增加而線性增加的,但實際上x不能太大.例如:在Mn1-XZnXFe2O4和Ni1-XZnXFe2O4中x只能分別大到0.6和0.7,如果再增大,分子磁矩反而下降.21復合鐵氧體的磁性因此,加入適量的非磁性離子Zn2+(占據A位最強的離子)就可以得到飽和磁化強度較高的復合鐵氧體材料.反之,要降低飽和磁化強度就必須降低B次晶格的飽和磁化強度,這可以加入占B位最強的非磁性離子來代替其中一部分Fe3+的方法來實現.非磁性離子的加入除了可以控制飽和磁化強度外,還會造成居理溫度的下降. 這是因為,由于非磁性離子的加入降低了A位和B位上磁性離子的數目,使A-